CN102517592A - 一种高磁感取向硅钢带渗氮处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高磁感取向硅钢渗氮后处理方法。其步骤：冶炼、连铸，铸坯加热、热轧、常化及冷轧后进行脱碳退火；一次性渗氮；均匀化处理；涂布氧化镁隔离剂；进行高温退火；进行涂布绝缘层、拉伸、平整工艺后，待用。本发明中的均匀化处理可以保证渗氮形成的亚稳态氮化物及时向钢带内部扩散，同时转化为稳定的AlN。这样在高温退火之前钢带中就已经形成了足够稳定的AlN，就可以在较大的高温退火工艺范围内保证抑制剂状态的稳定，保证了最终磁性能的稳定性，得到附着性优良无缺陷的底层质量。

Description

一种高磁感取向硅钢带渗氮处理方法

技术领域

本发明涉及取向硅钢的生产方法，具体属于高磁感取向硅钢渗氮后处理方法。

背景技术

取向硅钢是指其组成晶粒具有一定取向(一般指高斯取向{110}<001>)的硅钢产品，钢带的表面平行于{110}面，轧制方向平行于<001>方向。取向硅钢主要用于制造变压器的铁芯，通过其优良的软磁特征和磁化性能，为变压器提供高的磁通量，从而实现高效的电-磁-电的转换功能。

衡量取向硅钢磁化性能好坏的主要参数是磁通密度和铁损。磁通密度是指在一定磁场强度下磁感应强度的高低，用B表示，单位T；铁损是指一定频率和磁通密度下的能量损耗，用P表示，单位W/Kg。磁通密度高，可以减少变压器铁芯的体积，节省材料。铁损低，可以减少变压器使用过程中的损耗，节省能源。

取向硅钢的磁通密度主要取决于材料中晶粒的高斯取向度，而铁损则受磁通密度、钢带厚度、电阻率、夹杂物数量、最终晶粒尺寸等因素的影响。

根据磁感强度的水平，取向硅钢产品通常被分为两类。在磁场为800amp-turn/m下测量得到的磁感应强度值(即B₈₀₀)较低的，称为一般取向硅钢(CGO)，其B₈₀₀一般不超过1.880T；而B₈₀₀超过1.890T的称为高磁感取向硅钢片(HGO)。

为了得到优良的磁化性能，取向硅钢带在生产过程中需要很多特殊的热处理环节，以得到合适的初次再结晶组织和合适的抑制剂状态，从而在二次再结晶后得到良好的晶粒取向。

为了得到良好的二次再结晶，要严格控制取向硅钢中的抑制剂状态。根据取向硅钢生产技术的不同，抑制剂的种类有很多，如MnS、AlN、MnSe、Cu₂S、BN、(Al、Si)N、Sn、Sb等。抑制剂越弥散，强度越高，对晶粒长大的抑制能力越好，产品的最终磁性能也越好。

传统的取向硅钢片在20世纪30年代就已出现，主要采用MnS作为抑制剂，一般采用二次冷轧法。20世纪60年代，田口悟等人(日本专利特公昭40-15644)发明了以AlN加MnS为抑制剂、一次冷轧压下率在80％以上的高磁感取向硅钢生产方法。随后的三十年里，日本的高磁感取向硅钢即HiB钢得到了广泛深入的研究，生产规模也逐渐扩大。

但是，上述高磁感取向硅钢产品的生产工序复杂、工艺要求严格、生产成本昂贵。特别是，为了使氮化铝和硫化锰充分固溶，要求热轧前板坯加热温度很高，必须达到1380～1400℃。为此，会带来板坯烧损多、能源消耗大、加热炉维护费用高等问题。所以有必要采用新的工艺技术制造高磁感取向硅钢。

如果降低板坯加热温度，热轧过程中的抑制剂状态将与高板坯加热温度下的完全不同。为了保证二次再结晶的完整良好，必须在热轧以后的某些工序如脱碳退火工序或高温退火工序中通过某些特殊工艺来增加钢带中抑制剂的有效含量，最常见的特殊工艺是渗氮工艺。

从20世纪80年代起，出现了大量的采用低板坯加热温度辅助以渗氮工艺的制造高磁感取向硅钢的专利。这些专利中板坯加热温度一般为低于1300℃，典型板坯加热温度为1150℃～1250℃。采用的渗氮工艺也有很多种，按渗氮方法可分为两种：1、在氧化镁隔离剂中添加氮化物，通过氮化物在高温退火过程中的分解，使钢带中渗入活性氮，达到渗氮目的；2、在脱碳退火工序的气氛中加入氨气，使钢带中渗入活性氮。此种气体渗氮方法根据渗氮温度的不同又可分为高温渗氮(温度900～1050℃)和低温渗氮(温度650～800℃)两类。

采用氨气渗氮是目前最常见的渗氮方法。在氨气渗氮的具体工艺中，又有很多不同的方法。1、在湿气氛下脱碳后，在含有NH₃的干气氛下进行渗氮；2、在湿气氛下脱碳后，先进行适当还原，然后在含有NH₃的干气氛下进行渗氮；3、钢带先进行渗氮后，再进行脱碳退火；3、在湿气氛通入一定的NH₃，同时进行脱碳和渗氮；4、在脱碳之前采用快速加热，然后湿气氛下脱碳，然后干气氛下还原，然后在含有NH₃的干气氛下进行渗氮。

下面介绍几个相关的取向硅钢渗氮方法的专利：

EP0339474B1提出钢带在完成脱碳之后进行渗氮，渗氮温度范围为500～900℃，渗氮时间为15～60s，渗氮量为100ppm以上或180ppm以上。渗氮气氛中NH₃含量为1000ppm至10％，渗氮气氛中H₂％含量高于N₂％含量，渗氮气氛的水氢分压比不高于0.04。此种方法采用较低温度渗氮，渗氮过程中形成的氮化物主要集中在钢带表面，而且是处于亚稳态。这些亚稳态氮化物容易在高温退火时提前分解，不能形成有效的抑制剂，从而影响二次再结晶的稳定。

EP0922119B1采用薄板坯连铸方法生产取向硅钢。该发明提出钢带脱碳后进行渗氮处理，渗氮温度控制在900～1050℃，渗氮气氛中水蒸汽含量0.5～100g/m3。但该方法渗氮温度太高，渗氮效率很低，而且容易造成渗氮的不均匀。

JP 4183818(A)中为了改善脱碳后的氧化层结构，在脱碳后增加了干气还原段，还原后再进行渗氮，每一段进行独立的气氛控制。此种方法也是采用低温渗氮，渗氮物的亚稳态容易影响二次再结晶的稳定性。

CN102041440A中对冷轧钢带先进行渗氮处理，渗氮温度为600～740℃，渗氮时间为5～40s，渗氮量为100～200ppm，然后进行750～850℃下的脱碳退火。此种方法会造出渗氮困难，同时初次再结晶不容易控制，影响最终磁性能的稳定性。

日本特许公报平2-294428中采用了渗氮和脱碳同时进行的方法。但此种工艺下容易造成表面初次再结晶晶粒细小，内部晶粒粗大，二次再结晶不稳定，难以获得磁性稳定的产品。

JP 2002060843(A)中为了改善织构，在脱碳前增加了快速加热工艺，脱碳后渗氮。此种方法也是采用低温渗氮，渗氮物的亚稳态容易影响二次再结晶的稳定性。

上述各发明中，如果采用低温渗氮，渗氮后钢带中亚稳态氮化物主要集中在表面，为了使这些亚稳态氮化物转变成稳定的AlN有效抑制剂，必须严格控制高温退火的气氛和温度，否则最终二次再结晶的质量容易受高温退火工艺波动的影响而不稳。而采用高温渗氮虽然可以避免高温退火工艺波动对性能的影响，但高温下渗氮效率低，渗氮量不易控制；同时高温渗氮过程会影响钢带表面正常氧化层的形成，容易造出底层不良等表面缺陷。

发明内容

本发明的目的在于解决现有低板坯加热温度法生产高磁感取向硅钢技术中存在的低温渗氮法氮化物不稳定，容易影响二次再结晶的稳定性，而高温渗氮法渗氮效率低，渗氮量不均匀的不足，提供一种能使氮渗透深度提高，渗氮均匀，钢带表面质量优良，在保证最终磁性能的前提下，对后工艺要求宽松的高磁感取向硅钢带渗氮处理方法。

实现上述目的的措施：

1、一种高磁感取向硅钢带渗氮处理方法，其步骤：

1)经冶炼、连铸，将铸坯加热到1100～1250℃、热轧、常化及冷轧后，在H₂和N₂干式混合气氛下进行脱碳退火，其脱碳退火温度为800～900℃，退火时间为50～180秒，控制钢带中最终C含量≤25ppm；

2)进行一次性渗氮：在H₂和N₂干式混合气氛下进行渗氮，渗氮温度为700～900℃，按照2～4m³/吨钢通入NH₄，并控制渗氮后总氮量在100～300ppm；

3)进行渗氮后的均匀化处理：在H₂和N₂干式混合气氛下进行，处理温度为800～1050℃，均匀化时间为15～60秒；

4)涂布氧化镁隔离剂；

5)在1160～1210℃下进行高温退火；

6)进行涂布绝缘层、拉伸、平整工艺后，待用。

本发明是在对高磁感取向硅钢的渗氮工艺开展了广泛研究，提出脱碳退火(或其后紧接着中温还原[800～900℃])后进行低温(700～900℃)渗氮，然后紧接着进行均匀化处理(处理温度在800～1050℃)的方法。

本发明通过对现有技术的深入研究发现，低温渗氮效率高，但渗氮后形成的新的氮化物是亚稳态的，且主要分布在钢带表面，如图1所示。钢带表面的亚稳态氮化物如Si₃N₄，(Al，Si)N或(Si，Mn)N等需要在高温退火的升温阶段在一定的气氛控制下，才能稳定的转化为AlN，即有效抑制剂。如果高温退火气氛控制不当或波动，这些亚稳态氮化物容易被氧化或提前分解，不能稳定转化为AlN，则二次再结晶不能保证，最终会导致磁性能不稳定。本发明中的均匀化处理可以保证渗氮形成的亚稳态氮化物及时向钢带内部扩散，同时转化为稳定的AlN，如图4所示。这样在高温退火之前钢带中就已经形成了足够稳定的AlN，就可以在较大的高温退火工艺范围内保证抑制剂状态的稳定，保证了最终磁性能的稳定性。本发明所采取的均匀化处理还可以对渗氮后钢带的表面氧化层进行适当调整，修补因渗氮可能对脱碳后氧化层产生的破坏，从而保证高温退火过程中底层反应的顺利进行，得到附着性优良无缺陷的底层质量。

附图说明

图1为现有技术采用低温渗氮时钢带表层(1/10深度)的氮化物形貌

图2为现有技术采用低温渗氮时钢带中心部位(1/2深度)的氮化物形貌

图3为本发明采用低温渗氮时钢带表层(1/10深度)的氮化物形貌

图4为本发明采用低温渗氮时钢带中心部位(1/2深度)的氮化物形貌.

具体实施方式

下面对本发明做进一步描述：

实施例1

一种高磁感取向硅钢带渗氮处理方法，其实验条件：铸坯厚度230mm，铸坯的化学组分及重量百分比为：Si：3.15％，C：0.058％；Mn：0.10％；S：0.010％；Als：0.030％；N：0.0080％；Cu：0.080％；Sn：0.053％；Cr：0.020％；P：0.010％；Ti：0.0020％，其余为Fe及不可避免的夹杂物；热轧板厚度2.2mm，产品厚度0.23mm。

其步骤：

1)经冶炼、连铸，将铸坯加热到1175～1185℃、热轧至2.2mm、常化及冷轧后，在H₂和N₂干式混合气氛下进行脱碳退火，其脱碳退火温度为825～835℃，退火时间为150秒，控制钢带中最终C的含量19ppm；

2)进行一次性渗氮：在H₂和N₂干式混合气氛下进行渗氮，渗氮温度为840～850℃，按照2.5m³/吨钢通入NH₃，并控制总含氮量在140ppm；

3)进行渗氮后的均匀化处理：在H₂和N₂干式混合气氛下进行，处理温度为895～905℃，均匀化时间为60秒；

4)涂布氧化镁隔离剂；

5)在1160～1170℃下进行高温退火；

6)进行涂布绝缘层、拉伸、平整工艺后，待用。

实施例2

一种高磁感取向硅钢带渗氮处理方法，其实验条件：铸坯厚度210mm，铸坯的化学组分及重量百分比为：Si：3.25％，C：0.055％；Mn：0.10％；S：0.009％；Als：0.032％；N：0.0050％；Cu：0.080％；Sn：0.043％；Cr：0.040％；P：0.010％；Ti：0.0020％，其余为Fe及不可避免的夹杂物；热轧板厚度2.3mm，产品厚度0.23mm。

其步骤：

1)经冶炼、连铸，将铸坯加热到1115～1125℃、热轧至2.3mm、常化及冷轧后，在H₂和N₂干式混合气氛下进行脱碳退火，其脱碳退火温度为830～840℃，退火时间为50秒，控制钢带中最终C的含量20ppm；

2)进行一次性渗氮：在H₂和N₂干式混合气氛下进行渗氮，渗氮温度为790～800℃，按照2m³/吨钢通入NH₃，并控制总含氮量在150ppm；

3)进行渗氮后的均匀化处理：在H₂和N₂干式混合气氛下进行，处理温度为900～910℃，均匀化时间为55秒；

4)涂布氧化镁隔离剂；

5)在1170～1180℃下进行高温退火；

6)进行涂布绝缘层、拉伸、平整工艺后，待用。

实施例3

一种高磁感取向硅钢带渗氮处理方法，其实验条件：铸坯厚度210mm，铸坯的化学组分及重量百分比为：Si：3.25％，C：0.065％；Mn：0.15％；S：0.009％；Als：0.032％；N：0.0040％；Cu：0.020％；Sn：0.060％；Cr：0.020％；P：0.010％；Ti：0.0020％，其余为Fe及不可避免的夹杂物；热轧板厚度2.3mm，产品厚度0.23mm。

其步骤：

1)经冶炼、连铸，将铸坯加热到1150～1160℃、热轧至2.3mm、常化及冷轧后，在H₂和N₂干式混合气氛下进行脱碳退火，其脱碳退火温度为800～810℃，退火时间为180秒，控制钢带中最终C的含量15ppm；

2)进行一次性渗氮：在H₂和N₂干式混合气氛下进行渗氮，渗氮温度为820～830℃，按照3.0m³/吨钢通入NH₃，并控制总含氮量在180ppm；

3)进行渗氮后的均匀化处理：在H₂和N₂干式混合气氛下进行，处理温度为850～860℃，均匀化时间为15秒；

4)涂布氧化镁隔离剂；

5)在1200～1210℃下进行高温退火；

6)进行涂布绝缘层、拉伸、平整工艺后，待用。

实施例4

一种高磁感取向硅钢带渗氮处理方法，其实验条件：铸坯厚度210mm，铸坯的化学组分及重量百分比为：Si：3.30％，C：0.065％；Mn：0.08％；S：0.010％；Als：0.027％；N：0.0090％；Cu：0.020％；Sn：0.030％；Cr：0.020％；P：0.010％；Ti：0.0020％，其余为Fe及不可避免的夹杂物；热轧板厚度2.3mm，产品厚度0.23mm。

其步骤：

1)经冶炼、连铸，将铸坯加热到1240～1250℃、热轧至2.3mm、常化及冷轧后，在H₂和N₂干式混合气氛下进行脱碳退火，其脱碳退火温度为890～900℃，退火时间为120秒，控制钢带中最终C的含量14ppm；

2)进行一次性渗氮：在H₂和N₂干式混合气氛下进行渗氮，渗氮温度为890～900℃，按照4.0m³/吨钢通入NH₃，并控制总含氮量在280ppm；

3)进行渗氮后的均匀化处理：在H₂和N₂干式混合气氛下进行，处理温度为1040～1050℃，均匀化时间为60秒；

4)涂布氧化镁隔离剂；

5)在1160～1170℃下进行高温退火；

6)进行涂布绝缘层、拉伸、平整工艺后，待用。

实施例5

一种高磁感取向硅钢带渗氮处理方法，其实验条件：铸坯厚度210mm，铸坯的化学组分及重量百分比为：Si：3.25％，C：0.065％；Mn：0.08％；S：0.010％；Als：0.0265％；N：0.0090％；Cu：0.020％；Sn：0.030％；Cr：0.10％；P：0.010％；Ti：0.0020％，其余为Fe及不可避免的夹杂物；热轧板厚度2.3mm，产品厚度0.23mm。

其步骤：

1)经冶炼、连铸，将铸坯加热到1205～1215℃、热轧至2.3mm、常化及冷轧后，在H₂和N₂干式混合气氛下进行脱碳退火，其脱碳退火温度为840～850℃，退火时间为120秒，控制钢带中最终C的含量10ppm；

2)进行一次性渗氮：在H₂和N₂干式混合气氛下进行渗氮，渗氮温度为720～730℃，按照3.5m³/吨钢通入NH₃，并控制总含氮量在242ppm；

3)进行渗氮后的均匀化处理：在H₂和N₂干式混合气氛下进行，处理温度为1020～1030℃，均匀化时间为60秒；

4)涂布氧化镁隔离剂；

5)在1175～1185℃下进行高温退火；

6)进行涂布绝缘层、拉伸、平整工艺后，待用。

表1为各实施例的性能经检测后结果给予对比例在相同条件下结果列表。

表1为各实施例的性能与对比例性能经方圈检测后结果列表

从表1可看出，本发明与现有技术相比，其铁损P_1.7/50显著降低，平均降低0.055W/kg，约6％；同时磁感B₈₀₀显著提高，平均提高了约200高斯。

Claims (1)

1.一种高磁感取向硅钢带渗氮处理方法，其步骤：

1)经冶炼、连铸，将铸坯加热到1100～1250℃、热轧、常化及冷轧后，在H₂和N₂干式混合气氛下进行脱碳退火，其脱碳退火温度为800～900℃，退火时间为50～180秒，控制钢带中最终C含量≤25ppm；

2)进行一次性渗氮：在H₂和N₂干式混合气氛下进行渗氮，渗氮温度为700～900℃，按照2～4m³/吨钢通入NH₄，并控制渗氮后总氮量在100～300ppm；

3)进行渗氮后的均匀化处理：在H₂和N₂干式混合气氛下进行，处理温度为800～1050℃，均匀化时间为15～60秒；

4)涂布氧化镁隔离剂；

5)在1160～1210℃下进行高温退火；

6)进行涂布绝缘层、拉伸、平整工艺后，待用。

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